Fonctionnement d’un système d’imagerie

utilisant les rayons X

Pascal Rousset
Hospices Civils de Lyon
Université Claude Bernard Lyon 1

15 janvier 2018

Remerciements au Pr Loïc Boussel 1

Introduction - Principe général

TUBE A RAYONS X

RAYONS X EMIS

OBJET (patient)

RAYONS X NON ABSORBES

-> IMAGE RADIANTE

DETECTEUR
-> IMAGE LUMINEUSE

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 Plan
Sources documentaires et crédits

• Tube à rayons X
• Cathode – Anode
• Foyer
• Gaine
• Performances
• Alimentation
• Réglage de l'exposition
3
Tube à Rayons X

4
 Principe général
• Lorsque des électrons animés d’une grande vitesse viennent frapper une
cible métallique, leur énergie cinétique se transforme d’une part en chaleur
(99%), d’autre part en rayonnement X (1%)
• Un tube à RX comprend 3 éléments technologiques : une source d’électrons
(cathode), une différence de potentiel, une cible métallique permettant la
création de RX (anode)
• L’ensemble est contenu dans une enceinte sous vide et une gaine plombée
comportant une fenêtre laissant passer le faisceau de RX

Catherine Simand, Hagop Demirdjian - CultureSciences-Chimie 5

 La cathode
• La cathode (pôle négatif) est constituée :
• D’un ou deux filaments permettant de créer une source
d’électrons
• D’une pièce de concentration (ou de focalisation) qui accueille
et maintient en place le ou les filaments

6
 La cathode

• La cathode est alimentée par un circuit basse tension

7
 La cathode – Source d'électrons

• Obtenue par effet thermo-ionique

• Le filament en tungstène est porté à

incandescence et la chaleur est
transmise aux électrons libres du métal
sous forme d’énergie cinétique

• Grâce à ce gain d’énergie, les

électrons sont arrachés du filament et
forment un nuage électronique autour
du filament : charge d'espace

• Les électrons situés autour du filament

sont attirés vers la cible par une DDP
élevée (40 à 150 kV) 8
 La cathode : Effet de charge

• Ce nuage négatif tend à empêcher d’autres électrons d’être émis

par le filament tant qu’ils n’ont pas acquis une énergie thermique
suffisante pour surpasser les forces de répulsion créés par la
charge d’espace
• C’est cette tendance de la charge d’espace à limiter l’émission
d’un plus grand nombre d’électrons par le filament qui est appelée
« effet de charge d’espace »
9
 La cathode : Courant de saturation

La DDP de 40 kV définit
la position du point de
saturation du tube à RX

• Si la DDP entre la cathode et l’anode est insuffisante pour que les électrons soit
arrachés du filament au moment où ils sont émis, une charge d’espace résiduelle
va persister autour du filament.
Cette charge d’espace limite le nombre d’électrons disponibles et limite donc
l’intensité du courant traversant le tube (= courant-tube)
• Jusqu’à environ 40 kV, l’augmentation du kilovoltage produit une augmentation
significative de l’intensité du courant-tube. Au-dessus de 40 kV, une augmentation
du kilovoltage produit peu de modifications dans l’intensité du courant-tube (la
charge d’espace n’a plus d’influence sur l’intensité du courant) 10
 La cathode : Filament
• Spirale métallique constituée de
tungstène (Z = 74)
• Température de fusion élevée (3370°C)
• Bonne conduction thermique
• Le filament est chauffé à 2350°C par
un courant électrique de chauffage
basse tension (5-10 V) et d’intensité
élevée (10 A)
• L’émission électronique est
proportionnelle à sa surface et au carré
de l’intensité de chauffage
• Le choix du filament dépend de la
définition souhaitée de l’image (donc
de la taille du foyer optique)
11
11
 La cathode : Pièce de concentration

• Bloc de molybdène ou de nickel creusé

de deux gouttières contenant les
filaments

• Empêche la déformation des filaments

lors de l’échauffement

• Focalise les électrons vers la ou les

pistes de l’anode

• Peut être portée à un potentiel plus

négatif que celui du filament , et permet
de diminuer la taille du foyer thermique
(foyer variable)
Foyer Thermique 12
 L'anode

• L’anode (pôle positif) doit :

• Être suffisamment dense (Z élevé) pour favoriser la
production de RX (effet de freinage)
• Avoir une température de fusion élevée pour résister aux
températures secondaires aux interactions électroniques
• Être une bonne conductrice thermique pour dissiper
rapidement la chaleur

13
 L'anode

• Anodes fixes :

• En cuivre (bon conducteur de chaleur)

• Contenant au centre une pastille de tungstène très dense (Z

élevé) permettant de favoriser la production des RX

• Equipent les tubes radiologiques de faible puissance (tubes

dentaires)

14
 L'anode

• Anodes tournantes :

• Equipent les tubes de moyenne et de forte puissance

• Trois parties : couple rotor-stator, axe de transmission et

disque

• Piste en tungstène-rhénium (L=3.14xD) (D : 7 à 20 cm)

• Répartition avec étalement de la chaleur sur l’ensemble du

disque, ce qui favorise le refroidissement pendant la rotation

• Le changement du point d’impact des électrons est constant

et donc l’usure moindre
15
 L'anode
T
u
b
e

r
a
y
o
n
s

3000 à 9 000 tours/minute

16
 Le vide dans le tube

• Si du gaz était présent à l’intérieur du tube, les électrons accélérés vers

l’anode entreraient en collision avec les molécules de ce gaz, ce qui leur
ferait
• perdre de l’énergie cinétique
• provoquerait la formation d’électrons secondaires éjectés des molécules
de gaz par ionisation.
Ceci causerait de grandes variations dans l’intensité du courant-tube et
dans l’énergie des RX produits

• L’objectif du vide est de permettre un contrôle précis et séparé du nombre

et de la vitesse des électrons accélérés
17
 Vieillissement du tube
• Détérioration du filament par diminution de son diamètre :
diminution du rayonnement utile et augmentation des constantes

• Métallisation interne du ballon qui devient conducteur (court-

circuit)

• Altération du disque : anode fissurée

18
 Vieillissement du tube
• Détérioration du filament par diminution de son diamètre :
diminution du rayonnement utile et augmentation des constantes

• Métallisation interne du ballon qui devient conducteur (court-

circuit)

• Altération du disque : anode fissurée

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 Foyer thermique - Foyer optique

• Le foyer thermique ou foyer réel correspond au point d’impact

des électrons sur le disque de l’anode = source du
rayonnement X :

• Ses dimensions sont déterminées par la taille du filament et

l’inclinaison de la piste du disque (angle d’anode)

20
 Foyer thermique - Foyer optique

• Le foyer optique ou foyer virtuel correspond à la projection

géométrique du foyer thermique :

• Il est de forme carrée

• Sa taille détermine la définition de l’image (résolution
spatiale)
• Petit foyer (0,6 x 0,6 mm à 1x1 mm)
• Grand foyer (1,2x1,2 mm à 2x2 mm)

21
 Petit et grand foyer

• Grand foyer = charge thermique importante

• Permettant l’obtention de temps de pose très courts
• Utilité pour limiter le flou cinétique
• Temps de pose court, diminution du flou cinétique.
Radiologie digestive, urinaire, pédiatrique
• Mais la taille de ces foyers génère un flou géométrique
néfaste à la définition de l’image

• Petit foyer = charge thermique moindre

• Temps de pose rallongés = flou cinétique
• Mais diminution de la pénombre géométrique et
augmentation de la définition de l’image
• Imagerie ostéoarticulaire
22
Petit et grand foyer

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 Filtration du rayonnement émis
• Rayonnement émis poly-énergétique imparfait
(polychromatique) dont l’énergie maximale du spectre à RX
correspond à la tension appliquée aux bornes du tube

• Filtration (2,5 mm d’Al à 70 kV) des basses énergies :

• Réduit la dose à la peau
• Rend le rayonnement plus énergétique et plus
homogène pour la formation de l’image

Filtre
24
Filtration du rayonnement émis

25
Gaine plombée du tube

26
Performances d’un tube

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 Paramètres techniques

• Les tensions crêtes

• La puissance nominale

• La puissance maximale

• La capacité thermique maximale

• La dissipation thermique

Limites d’utilisation

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 Performances d’un tube

• Tensions crêtes : valeurs maximales de différence de potentiel

pour un tube donné :
• De 20 à 40 kilovolts pour un tube de mammographie
• De 40 à 150 kilovolts pour un tube de radiodiagnostic

• Puissance nominale :
• Puissance maximale applicable pendant 0,1 seconde sur
l’anode froide d’un tube alimenté en tension constante
• Elle s’exprime en kilowatts
• Elle est d’environ 100 kW pour les gros foyers

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 Performances d’un tube

• Puissance maximale :
• Puissance maximale que l’on peut appliquer au tube pendant
un tour d’anode (kW)

• Elle est fonction :

• Du métal de la piste d’anode (alliage tungstène-rhénium >
tungstène)
• De la taille du foyer optique (0,6 mm2 : 50 kW ; 2 mm2 :
150 kW)
• De la vitesse et du diamètre du disque de l’anode (plus le
diamètre est élevé, plus la puissance augmente)

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 Performances d’un tube

• Capacité thermique maximale :

• Représente la quantité maximale de chaleur que peut
supporter l’anode
• Se mesure en élevant au maximum le temps de pose pour une
tension et une intensité de chauffage maximales et s’exprime
en unité de chaleur (1 UC = 0,7 Joule)
Capacité thermique max (UC) = tension max (kV) x intensité de
chauffage max (mA) x temps de pose max (s)
• Capacité thermique d’un tube standard = 3 à 7 MUC

31
 Performances d’un tube

• Dissipation thermique :
• Correspond à la quantité maximale de chaleur que l’anode
peut éliminer par minute
• S’exprime en UC par minute
• Les tubes radiologiques standard possèdent des dissipations
thermiques de l’ordre de 0,1 MUC/minute

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 Limites de sécurité du tube

• Déterminée à partir de l’abaque de charge du tube : Par

exemple, si une exposition nécessite 50 mAs (500 mA à 0,1 sec),
le kilovoltage maximal sera de 70 kV

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 Limites de sécurité du tube
Capacité maximale de stockage de chaleur de l’anode : 110 000 Joules

34
Alimentation du tube

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 Le générateur
• Le tube à RX est alimenté par un générateur qui adapte le courant
électrique du secteur aux besoins du tube :
• Transforme le courant alternatif basse tension du secteur en
un courant continu, stable et de Haute Tension (HT)
• Règle l’intensité de chauffage du filament afin de contrôler la
quantité de RX à produire
• Détermine la durée d’application de la HT c’est-à-dire la durée
d’exposition
• Assure la sécurité du tube en vérifiant que les constantes
programmées sont supportées par le tube
• Assure des fonctions auxiliaires telles que l’alimentation du
couple rotor-stator et de l'exposimètre (cellules)

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 Le générateur
• Il est contenu dans une armoire électronique reliée au tube par
des câbles électriques
• Il est contrôlé par le pupitre de commande

37
Réglage de l'exposition :
Manuel ou avec cellule

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 Exposition : DDP, Intensité, Temps de pose

• DDP : gère le contraste :

• Si U augmente, le contraste diminue
• Si U diminue, le contraste augmente
• Irradiation

• Intensité (mAs ; quantité de photons produits par unité de

temps) : gère la dose délivrée et donc le noircissement

• Temps de pose ou temps d’exposition. Pour une intensité

donnée, la dose délivrée (noircissement) sera fonction du
temps de pose

39
Exposition : DDP, Intensité, Temps de pose

40
 Exposition : Réglage manuel

• Technique à trois points (réglage libre)

• Technique à deux points (automatisme du premier degré) :

• Réglage de la charge (mAs) et de la tension
• Temps de pose calculé par le générateur en fonction
de la valeur de la charge et de la tension
• Optimiser la puissance du tube et obtenir les temps de
pose les plus courts possibles

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Exposition : Réglage manuel

42
 Exposition : Cellules

• Les posemètres ou cellules permettent de s’affranchir des

difficultés du réglage manuel

• Eléments radiotransparents placés en avant du détecteur

• Permet de stopper l’irradiation quand un nombre suffisant

de RX a atteint le détecteur : optimise le noircissement et le
dépôt de dose adapté à la qualité (sensibilité) du détecteur

43
 Cellules : Principe
• Chambre à ionisation : cavité isolante contenant un gaz

• L’interaction des RX avec ce gaz provoque des ionisations et

induit l’apparition d’un courant électrique allant charger un
condensateur et dont la tension est comparée à une référence

44
 Cellules : Principe

• Les cellules sont au nombre de 3 (une centrale et deux latérales).

L’utilisateur peut choisir quelle cellule il souhaite utiliser en
fonction de l’incidence.

45
Cellules : Utilisation

46
 Cellules : Utilisation
• Technique à 2 points (automatisme du 2ème degré)

• Les cellules déterminent automatiquement le temps de

pose (l’opérateur a déterminé la tension et l’intensité)
• Le choix de l’intensité peut être problématique

• Technique à un point (automatisme de 3ème degré)

• L’opérateur ne règle que la tension (contraste)

• Principe de la charge décroissante : l’exposition
démarre avec une intensité élevée qui décroît au
cours du temps de manière à suivre les valeurs limites
de puissance du tube

47
Cellules : Utilisation

48
Conclusion

TUBE A RAYONS X

RAYONS X EMIS

OBJET (patient)

RAYONS X NON ABSORBES

-> IMAGE RADIANTE

DETECTEUR
-> IMAGE LUMINEUSE

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 Sources documentaires
Sources documentaires et crédits

• EMC:
• D. REGENT : Production des rayons X en imagerie par
projection et en scanographie
• A. Lisbona : Formation de l’image radiante

• Guide des technologies de l’imagerie médicale et de la radiothérapie,

JP DILLENSEGER & E MOERSCHEL, Masson ed

• Guide des procédures des examens radiologiques

• site SFR et site HAS

• Radiographics – rsna – 1995-2016 – revue pédagogique - résident